Прочностные свойства горных пород

Механические свойства горных пород

Механические свойства характеризуют поведение горных пород в различных механических силовых полях. Их подразделяют на ряд групп: прочностные, характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам; деформационные, характеризующие упругую и пластическую деформируемость пород под нагрузками; акустические, харак­теризующие условия передачи породами упругих колебаний; реологические, характеризующие деформирование пород во времени при заданных условиях нагружения; горнотехнологи­ческие, характеризующие реакцию пород на воздействие каких-либо определенных технологических процессов или инстру­ментов.

Прочностные свойства определяют способность пород со­противляться разрушению под действием приложенных к ним внешних сил. Они характеризуются пределами проч­ности при сжатии и растяжении, сцеплением и углом внутрен­него трения.

Пределом прочности [σ]называют максимальное значение напряжения, которое выдерживает образец до разрушения:

[σ] = P/F, (8)

где Р— разрушающая нагрузка; F— площадь, на которую дей­ствует приложенная нагрузка.

Предел прочности при одноосном сжатии образцов горных пород или, короче, прочность на сжатие [σ_сж] — наиболее ши­роко определяемая характеристика прочности пород. Ее наи­высшие значения для горных пород достигают 500 МПа (наиболее прочные - базальты, кварциты), минимальные значе­ния измеряются десятыми долями МПа (мергель, гипс, каменная соль в водонасыщенном состоянии). В зависимости от состава и струк­туры пород даже одного петрографического наименования прочность на сжатие может колебаться в весьма больших пре­делах. Так, показатель [σ_сж]для различных базальтов изменя­ется в диапазоне 30—500 МПа, гранитов — 37—380 МПа. Обычно прочность пород на сжатие тем выше, чем выше их плотность.

Прочность на растяжение [σ_р] горных пород значительно ниже их прочности на сжатие. Это одна из наиболее характер­ных особенностей горных пород, определяющих их поведение в поле механических сил. Горные породы плохо сопротивля­ются растягивающим усилиям, появление которых в тех или иных участках массива пород при разработке служит крите­рием опасности обрушений пород и разрушения горных вы­работок.

Отношение [σ_р]/[σ_сж] весьма показательно для сравнитель­ной характеристики различных пород и колеблется в пределах 1/5 ÷ 1/80, чаще же всего в пределах 1/15 ÷ 1/40. Верхний предел 1/5 соответствует глинистым породам, нижний — наиболее хрупким породам (гранитам, песчаникам и др.).

Прочность на срез (сдвиг) может быть охарактеризована двумя функционально связанными параметрами: сцеплением и углом внутреннего трения породы. Эту функциональную связь выражают уравнением Кулона—Мора:

τ_n = σ_n tg φ + [τ_о], (9)

где σ_n — нормальное напряжение при срезе; φ — угол внутрен­него трения; [τ_о] — сцепление.

Сцепление [τ_о] характеризует предельное сопротивление срезу по площадке, на которой отсутствует нормальное давле­ние, т. е. нет сопротивления срезающим усилиям за счет внут­реннего трения. Угол внутреннего трения φ или коэффициент внутреннего трения tgφ характеризует интенсивность роста сре­зающих напряжений с возрастанием нормальных напряжений, т. е. представляет собой коэффициент пропорциональности между приращениями касательных dτ_nи нормальных dσ_nна­пряжений при срезе.

Значение сцепления горных пород меняется в пределах от десятых долей (глины, мергели, слабо сцементированные пес­чаники и др.) до сотен килограмм-сил на квадратный санти­метр (прочные песчаники и массивно-кристаллические породы), угол внутреннего трения — от 10—15 для некоторых глин до 35—60° для прочных массивно-кристаллических и метаморфи­ческих пород (граниты, сиениты, кварциты и др.).

Дата добавления: 2014-12-07